Kwartalnik Geologiczny, t. 32, nr 3-4, str. 693-714
Ryszard KACZYNSKI
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc
kredowych piaskowcow rejonu Nowogrodzca (depresja polnocnosudecka)
Badania wytrzymalosci (na sciskanie jednoosiowe i trojosiowe, rozciqganie, zginanie i scinanie) i od- ksztalcalnosci piaskowcow kredowych otaczajqcych zloze How Bolko II w rejonie Nowogrodzca wyko- nano na probkach rdzeni wiertniczych, uwzgl~dniajqc zakres potrzeb niezb~dnych przy projektowaniu wyrobisk g6rniczych. W szczeg6lnosci zwrocono uwag~ na scharakteryzowanie wlasciwosci masywu skalnego z punktu widzenia oceny inzyniersko-geologicznej. Na podstawie wskaznikow Niejsztadta, Deere'a i Hansagi'ego masyw piaskowcow kredowych rejonu Nowogrodzca mozna ocenic jako masyw o zlej jakosci, na podstawie wskaznika Q jako masyw bardzo slaby. Badane piaskowce Sq skalami 0
bardzo malej wytrzymalosci i duzej odksztalcalnosci oraz silnie mi~knqcymi.
WST~P
Projektowanie wyrobisk g6rniczych, opr6cz og6lnego rozpoznania warunk6w geologicznych masywu i cech fizycznych skal, wymaga przede wszystkim okres- lenia parametr6w wytrzymalosciowych i odksztalcalnosci skal. Ustalenie wy- trzymalosci na sciskanie, rozciq.ganie, zginanie i scinanie Oraz wyznaczenie para- metr6w charakteryzujq.cych odksztalcalnos6 (modul odksztalcenia, spr~zystosci
i wsp6lczynnik Poissona) pozwalajq. na okreslenie stanu r6wnowagi granicznej osrodka skalnego. Wlasciwe wyznaczenie charakterystyk wytrzymalosciowo-od- ksztalceniowych skal budujq.cych masyw warunkuje bezpieczne i ekonomiczne projektowanie.
Badania piaskowc6w kredowych byly zwiq.zane z projektowaniem g6rniczych wyrobisk podziemnych dla eksploatacji zloza bialo wypalajq.cych si~ H6w. Piaskow- ce stanowiq. otoczenie zloza H6w Bolko II, usytuowanego w okolicach Nowogrodz- ca w depresji p61nocnosudeckiej. Badania przeprowadzono na rdzeniach piaskow- c6w, pobranych z otwor6w badawczych (wykonanych przez Przedsi~biorstwo
Geologiczne we Wroclawiu), w Laboratorium Instytutu Hydrogeologii i Geologii
[m]
22.0- 6 210-
180 - 170 - 160 - 150 - 1'-t0- 130- 120- 110- 100- 90 - 80 - 70 -
5A
-?=P::
5
'1';'
>.1-':
p :: I'::':-1 ::.
1
o· ." .,·· ..
...
" . 0 "
Psk
4
+.P
... '•• " • .... Z '. p
:-: z
Pr6bki. plaskowc6w sa.ntonskLch do budun La.borutoryjnych pobruno z:
nr otworu \ za.kres gtebokoscL [m p.ptJ 1 55,0 - 9Lr,'t
2 40,2 -65,7 3 26,0 -~9,5
4 28,0- 48,5
5 45,5 - 63,5 6 58,0 - 93,5
3 Z
Pffi!P . :.' .'. :':. Z
Z .;: :-.: :.: '.::
P / .:.;
:::'~;}
pPSk
o
, 20 , 40 ! BOm 1G~r:P
1·.1." •
'J:'.:
P ." ;.
.:" .:"
Psk
Fig. 1. Schematyczny przekroj geologiczno-litologiczny przez zloze How Bolko II (na podstawie materialow archiwalnych Przedsi~biorstwa Geologicznego we Wroclawiu)
Schematic geologic-lithologic section of the clay deposit Bolko II (on the basis of archival date of the Geologic Enterprise. Wroclaw)
Czwartorz~d: P - piaski, G - gliny, Z - zwiry; kreda, santon: i - wkladki il6w, Psk - piaskowce
Quaternary: P - sands, G - clays, Z - gravels; Cretaceous, Santonian: i-inserts of clays, Psk - sandstones
0'1 1..0 +:>.
';3 ~ N II:>
a
~ ~ '< N
::3-~
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowc6w 695 Inzynierskiej Uniwersytetu Warszawskiego. W sumie zbadano rdzenie 0 14cznej dlugosci 69 m. Do badan wytrzymalosciowych udalo si~ wyci4c 300 probek rdzeni o srednicy ok. 85 mm, 80 probek - plytek, 56 probek - kr4zkow i 30 probek nie- foremnych.
Niniejszy artykul zostal przygotowany do druku na podstawie niepublikowa- nego opracowania· nt. Charakterystyka wytrzymalosci i odksztalcalnosci skat z wiercen badawczych na zloiu Bolko II, wykonanego przez zespol pod kierunkiem autora w Zakladzie Prac Geologicznych Uniwersytetu Warszawskiego.
Autor sklada serdeczne podzi~kowanie Dyrekcji i Pracownikom Przedsi~bior
stwa Geologicznego we Wrodawiu, ktorzy umozliwili przeprowadzic tego rodzaju badania; prof. drowi hab. Z. Glazerowi za konsultacje i wielokrotne dyskusje wynikow bad an oraz wszystkim Kolegom z Zakladu Mechaniki Gruntow i Fun- damentowania Instytutu Hydrogeologii i Geologii Inzynierskiej UW za pomoc oraz udzial w badaniach piaskowcow kredowych, a w szczegolnosci: doc. dr hab.
J. Pininskiej, mgrowi J. Wroblewskiemu, mgrowi A. Niedkowi, mgrowi H. Gorce, st. tech. J. Wewiorowi, st. tech. A. Kasprzakowi, st. tech. W. Cwierzynskiej oraz st. tech. B. Pamrowowi. Szczegolne wyrazy wdzi~cznosci nalez4 si~ drowi J. Para- finiukowi z Instytutu Petrografii i Geochemii UW za opis petrograficzny szlifow mikroskopowych oraz st. tech. A. Lewandowskiemu za wykonanie szlifow.
GEOLOGICZN'E W ARUNKI WYST:ePOW ANIA PIASKOWCOW Analizowane piaskowce i ily je przewarstwiaj4ce wedlug J. Milewicza (1974, 1979) S4 wieku kredowego (santon). Probki do badan pochodz4 z 6 otworow wiert- niczych z gl~b. 26,0 94,4 m p.p.t. (fig. 1). Makroskopowo piaskowce S4 rozno- ziarniste, jasnoszare, przewaznie slabo zwi~zle, przewarstwiane ilami kaolinowymi.
Ziarna, glownie kwarcu, maj4 srednice od 0,1 do ponad 2 mm. Niekiedy w obr~bie
rdzenia 0 niewielkiej dlugosci obserwuje si~ ziarna wszystkich Srednic. Spoiwo ilaste rna charakter masy wypelniaj4cej. Wi~ksze ziarna kwarcu lub skal krzemion- kowych 0 srednicach 1 - 2 mm wykazuj4 duZy stopien obtoczenia, natomiast ziarna drobniejsze 0 wymiarach ulamka milimetra S4 bardziej kanciaste. Mineraly akcesoryczne - przewaznie tlenki zelaza i lyszczyki - S4 rzadkie. Czasem spotyka
si~ aglomeraty zawieraj4ce od kilku do kilkunastu ziarn mocniej scementowanych spoiwem krzemionkowym. Piaskowce maj4 tekstury liniowe, podkreslone uloze- niem wydluzonych ziarn oraz smug grubszego i drobniejszego materialu. Tekstur tych generalnie nie obserwuje si~ w piaskowcach gruboziarnistych i zlepiencowa- tych. Badania mikroskopowe wskazuj4, ze wszystkie analizowane piaskowce S4 zbudowane z materialu pokrewnego genetycznie. Swiadczy 0 tym analogiczny sklad mineralny okruchow. Roznice dOtYCZ4 glownie wymiarow ziarn. Piaskowce mieszcz4 si~ przede wszystkim mi~dzy piaskowcami srednioziarnistymi a zlepienco- watymi. Cech4 charakterystyczn4 tych skal jest slaba zwi~zlosc i wysoka porowa- tosc wszystkich odmian.
Piaskowce S4 sp~kane. Najcz~sciej S4 to sp~kania poziome, w szczegolnosci na granicach litologicznych, na przewarstwieniach z ilami kaolinowymi. Obserwuje
si~ rowniez na rdzeniach sp~kania pionowe typu ciosu. Oprocz przestrzennej orientacji sp~kan istotne znaczenie rna liczba sp~kan w stosunku do rozpatrywanej dlugosci czy powierzchni. Wzrost zag~szczenia sp~kan zmniejsza wytrzymalosc i zwi~ksza odksztalcalnosc masywu.
Numer otworu
34-IV 35 - II 35,5 -III
36- II 37 - II 37- IV
Zakres
gl~bokosci
(m p.p.t.)
55,0-94,4 26,0-49,6 40,2- 65,7 28,0-48,5 45,5 - 63,5 58,0-93,5
Dla calego masywu
Tabela 1 Charakterystyka sp~kan masywu skaloego na podstawie pomiarow rdzeni wiertniczych
Dlugosc wszystkich fragment6w rdzeni (em)
1397 832 898,5 775,5 1015,5 1409,5
6328
Uzysk rdzenia
U (%)
96 92 94 83 91 92
92
Wskaznik szezelino- watosci liniowej
N I L I Sz
103 14,5 7/m
59 9 7/m
78 9,6 81m 84 9,3 9/m 63 11,1 6/m 123 15,4 81m
Wskaznik jakosei masywu Deere'a
Lp I Lt I RQD 847 1450 58 460 900 51 347 960 36 187,5 930 20 669,5 1110 60 720,5 1540 47
p
103 62 54 38 80 104
510 I 68,9 171m I 3231,5 I 6890 I 47 1441
Wskaznik sp~kania Hansagi'ego (wg pomiar6w rdzeni)
H I k n I S
8,4 1159 65 1450 8,4 692,5 37 900 8,4 619 39 960 8,4 425 27 930 8,4 840,5 44 1110 8,5 1074,5 58 1540
c
0,30 0,30 0,24 0,18 0,31 0,29
>. cJ'
c 0
cIS ell
t::..\<i ~
~:~ ~6b c~ ~ o '" c
~t:::J3 0,16 0,17 0,16 0,11 0,19 0,15
8,4 I 4810,5 I 270 I 6890 I 0,27 I 0,15
W skaznik porowatosei szczelinowej K, = 100 - U = 100 - 92 = 8 %; stopien szczelinowatosci Niejsztadta: silny; skorygowany wskaznik Hansagi'ego obliczono wedlug faktycznej liczby wyci~tyeh pr6bek, przy p = 243 pr6bki
'< ~
'"
N
~ a
~ ~ (')
'< N ::S'
~
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowc6w
Pomiary rdzeni wiertniczych pozwalajC:! na okreslenie:
uzysku rdzenia U;
697
N . b
- wskaznika szczelinowatosci liniowej Sz =
L'
gdzle: N - licz a sp~kan, L - dlugosc linii rozpoznania;- wskaznika jakosci masywu Deere'a RQD = Lp
, gdzie: Lp
Lt sumaryczna
dlugosc odcinkow rdzenia, wynoszC:!ca powyzej 2d (d - srednica rdzenia), Lt - calkowita dlugosc rdzenia (D.V. Deere, 1963);
- wskaznika
sp~kania
Hansagi'ego - faktora kirunskiego - C = _1_2S
~H + :),
gdzie: p - liczba probek cylindrycznych przewidywanych do badania Ro ktorC:! mozna uzyskac z rdzenia 0 dlugosci S; H - wysokosc probki cylindrycz- nej; k - sumaryczna dhigosc fragmentow rdzenia 0 dlugosci wi~kszej od srednicy;n - liczba odcinkow rdzenia 0 dlugosci wi~kszej od srednicy (J. Hansagi, 1974).
Wyniki pomiarow dla :Q0szczegolnych otworow wiertniczych1 zostaly przedsta- wione w tab. 1 i na fig. 2. Srednie wartosci wymienionych parametrow charaktery- zujC:!cych szczelin9watosc masywu piaskowcow przedstawiajC:! si~ nast~pujC:!co:
U = 92%, Sz= 7/m, RQD = 47%, C = 0,27 oraz skorygowany wskaznik Han- sagi'ego Cs = 0,15 i wskaznik porowatosci szczelinowej Niejsztadta Ks = 100-U =
= 8 % (L.I. Niejsztadt, 1957).
Wskaznik sp~kania Hansagi'ego (C) obliczono dwoma sposobami. W pierw- szym przyj~to dane z pomiarow rdzeni piaskowcow, dotycz'!ce liczby przewidywa- nych (potencjalnych) probek do badan wytrzymalosci na sciskanie. Drugim spo- sobem obliczono wartosc skorygowanego wskaznika (Cs) juz na podstawie kon- kretnie uzyskanej liczby probek, ktorych uzyto do badan wytrzymalosciowych.
Zmniejszenie wartosci wskaznika Hansagi'ego z 0,27 do 0,15 rowniez swiadczy 0 zachowaniu si~ piaskowcow przy obrobce mechanicznej (ukryte sp~kania). Prawie dwukrotne zmniejszenie wskaznika powaznie wplywa na wytrzymalosc masywu skalnego.
Przyjmuje si~ cz~sto, ze wytrzymalosc masywu skalnego (ReM) jest funkcjC:!
wskaznika sp~kania Hansagi'ego (C) i wytrzymalosci na sciskanie probki (Re):
Pozostale wskazniki, tj. szczelinowatosci liniowej, jakosci masywu, porowatos- ci szczelinowej, swiadcz,! rowniez 0 znacznym oslabieniu masywu skalnego przez
sp~kania. Wskaznik Niejsztadta Ks = 8
%
wskazuje na silny stopien szczelinowa- tosci. Wskamik Deere'a RQD = 47% swiadczy 0 zlej jakosci masywu. Ma ont~ wad~, ze nie daje obrazu rozkladu przestrzennego poszczeg61nych dlugosci rdzenia. Na fig. 2 przedstawiono krzyw'! kumulacyjn,! dlugosci rdzenia, przy czym ustalono rowniez wartosc mediany odpowiadaj,!cej 50% analizowanego zbioru.
Wartosc powyzsz,! okresla modul srednich sp~kan, ktory w przypadku piaskow- cow kredowych wynosi 12 cm. Nalezy pOdkreslic, ze przedstawione parametry zalez,! w duzej mierze od sposobu i jakosci wiercenia.
I Szczeg610we wyniki wszystkich obserwacji przeprowadzonych na rdzeniach piaskowc6w kredowych s,! za- warte w opracowaniu R. Kaczynskiego i in. (1985).
10 ~
CJ'I
20 d C 30 ~
t!
40 -vl
=>'
50 ~
ooj
s:
70
S
80
gO
1-.1._-.-
1001
[%J
30 /Mf
-w25 I
-if) 0
320
...
.s <J) 15
QJo
::310
Fig. 2. Charakterystyka stopnia sp~kania masywu skalnego za pomoCq rozkladu dlugosci rdzeni Description of fissuring of a rock body with distribution of core lengths
RQD - wskaznik jakoSci masywu Deere'a, Mf - modul srednich sp~kan, L - dlugosc rdzenia RQD - rock quality designation of Deere, Mf - modulus of mean fissures, L - lenght of cores
Dla kompleksowej, inzyniersko-geologicznej oceny masywu A. Kidybiriski (1982) zaleca stosowac wskaznik Q (wg N. Bartona i in., 1974), kt6ry obejmuje szesc najistotniejszych parametr6w masywu:
gdzie: RQD - wskaznik jakosci masywu Deere'a, In - wskaznik liczby system6w
sp~kari, I r - wskaznik szorstkosci szczelin, Ia - wskaznik zwietrzenia scianek szczelin, Iw - wskaznik zawodnienia, SRF - wskaznik odpr~zenia masywu.
Orientacyjnie wartosc Q, przy przyj~ciu RQD = 47
%,
In = 5,Ir = 1,5, Ia = 5, Iw = 1 i SRF od 5 do 10, wyniesie od 0,1 do 1. Wartosc Q zmienia si~ og61nie w bardzo szerokim przedziale 0,001-1000 i obejmuje ok. 300000 kombinacji geologicznych. Na podstawie jego mozna zaliczyc masyw piaskowc6w kredowych do masyw6w bardzo slabych (very poor).WLASCIWOSCI FIZYCZNE PIASKOWCOW
Zbadano g~stosc wlasciw,!, g~stosc obj~tosciow,! w stanie powietrzno-suchym i w stanie peIne go nasycenia wod,! oraz nasi,!kliwosc wagow'!. Poszczeg61ne rodzaje piaskowc6w nie wykazuj,! w zasadzie wyraznego zr6znicowania analizowanych cech. Mozna uznac badane skaly za jedmt. warstw~ geotechniczn'!. Konkretne wyniki przedstawiaj,! si~ nast~puj,!co:
- g~stosc wlasciwa (na podstawie 18 oznaczeri) waha si~ w granicach 2,58- 2,68, sr. 2,64±0,03 (·103kg/m3), przy wsp6lczynniku zmiennosci V= 1%;
- g~stosc obj~tosciowa w stanie powietrzno-suchym (240 oznaczeri) waha si~
w granicach 1,67-2,17, sr. 1,90±0,085 (-103 kg/m3), przy wsp6lczynniku zmien- nosci V = 4,5%;
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowc6w 699 - g~stosc obj~tosciowa w stanie pelnego nasycenia wod,! (105 oznaczen) zmienia si~ w granicach 1,93 - 2,24, Sf. 2,05 ± 0,066 (. 103 kg/m3), przy wsp6lczyn- niku zmiennosci V = 3,2 %;
- nasi,!kliwosc wagowa·zmienia si~ w zakresie 5,3-15,5, Sf. 9,3±1,86%, przy wsp6lczynniku zmiennosci V
=
20,0%;- porowatosc wynosi srednio 28 %.
Piaskowce kredowe ze wzgl~du na g~stosc obj~tosciow,! mozna zaliczyc do skal
srednioci~zkich, natomiast z uwagi na nasi,!kliwosc do srednionasi,!kliwych (PN-84/B-OI080).
CHARAKTERYSTYKA WYTRZYMALOSCIOWA PIASKOWc6w Dotychczas 0 wlasciwosciach masywu skalnego wnioskowano przede wszyst- kim na podstawie pr6bek skalnych. Wytrzymalosc piaskowc6w ustalono na podsta- wie badan rdzeni 0 srednicy (d) r6wnej wysokosci (d = h = 85 mm). Metodyka badan byla zgodna z Wytycznymi Mifdzynarodowego Biura Mechaniki G6rotworu ...
H. PfOr (1975), polskimi i branzowymi normami oraz wytycznymi G16wnego Insty- tutu G6rniczego. Przede wszystkim okreslono wytrzymalosc na jednoosiowe sciskanie, rozci,!ganie, zginanie i Scinanie.
WYTRZYMALOSC NA JEDNOOSIOWE SCISKANlE
Badania wytrzymalosci na jednoosiowe sciskanie wykonano na 60 pr6bkach w stanie powietrzno-suchym i na 30 pr6bkach w stanie pelnego nasycenia wod'!.
Pr6bki sciskano bez podkladek z pr~dkosci,! obci,!zania 0,5 MPa/s w prasie wy- trzymalosciowej ZD-JO. Maksymalne wartosci sHy sciskaj,!cej nie przekraczaly
Fig. 3. Charakter zniszczenia pr6bek piaskowc6w podczas jednoosiowego sciskania. Fot. A. Niedek Destruction of sandstone samples during uniaxial compressive stress. Photo A. Niedek
Tabela 2 Wytrzymalosc na sciskanie piaskowcow w stanie powietrzno-suchym
G{!stosc Wytrzy- Modul Wspol- Modul
Piaskowce obj{!toscio- malosc na odksztal- czynnik spr~zys-
wa sciskanie cenia Poissona tosci 103 (kg/m3) Res (MPa) Eos (MPa) V Ess (MPa)
1,83 -2,10 3,4-11,6 571-2148 0,14-0,46 813 -9025
Zlepiencowate X = 1,94 6,7 1131 0,28 2640
Sx = 0,06 2,3 497 0,11 2132
V=3 35 44 38 81
1,81-1,94 2,5-12,4 744-3559 0,18-0,37 1200-10435
Gruboziarniste X = 1,86 6,9 1518 0,30 3016
Sx = 0,03 2,5 729 0,06 2275
V=2 36 48 20 75
1,74-1,97 2,5-10,6 106-2935 0,13 -0,35 836-9020
Srednioziarniste X = 1,85 6,6 1350 0,25 3288
Sx = 0,06 2,1 657 0,07 2157
V=3 32 49 30 66
X = ~ I:Xl - srednia arytmetyczna; Sx = [~ I:(x;-xF]I12 - odchylenie standardowe; V =
i·
100-wspolczynnik zmiennosci (%); N - liczba oznaczen
7 . 104 N. Kierunek sciskania byl zgodny z osiq rdzenia. Probki piaskowcow w trakcie sciskania zachowywaly si~ w wi~kszosci przypadkow w sposob klasyczny.
Po zniszczeniu probek obserwowano cz~sto w podstawie gornej i dolnej wyrazne stozki (fig. 3). Podczas rozpadu probek piaskowcow powstalo duzo materialu sypkiego i drobnych okruchow. Przy sciskaniu probek obserwowano powstawanie
sp~kait i szczelin przed osiqgni~ciem maksymalnej wartosci sHy. Probki piaskow- cow reagujq akustycznie juz przy 60 -70
%
maksymalnego obciqzenia. Wczesne notowanie odpowiednich dzwi~kow - trzaskow oznaczalo najcz~sciej dose szybkie zniszczenie probek.Wytrzymalosc na sciskanie piaskowcow (Res) W stanie powietrzno-suchym (tab. 2) waha si~ w gr~nicach 2,5 -12,4, Sf. 6,8 ±2,3 MPa, przy wspolczynniku zmiennosci V = 34
%.
Srednie wytrzymalosci na sciskanie piaskowcow zlepieit- cowatych, grubo- i srednioziarnistych Sq zblizone i wynoszq odpowiednio 6,7, 6,9 i 6,6 MPa.W pierwszym etapie nasycania wodq - podsiqkania kapilarnego - nast~
puje jedynie luszczenie si~ powierzchni probek oraz zaokrqglanie ich kraw~dzi.
Dotyczy to przede wszystkim piaskowcow srednioziarnistych z wkladkami ilow lub lepiszczem wyraznie ilastym. Probki piaskowcow w tym stanie ulegaly zatem zniszczeniu w sposob "lagodny". W stanie pelnego nasycenia wod q wytrzymalose na sciskanie piaskowcow (tab. 3) zmienia si~ w zakresie 1-13, Sf. 4,5 ±2,0 MPa, przy wspolczynniku zmiennosci V = 44
%.
Zmiennose wytrzymalosci na sciskanie piaskowcow w stanie pelnego nasycenia jest wi~ksza od zmiennosci wytrzymalosci w stanie powietrzno-suchym. lezeli
Wytrzymalose i odksztalcalnose kredowych piaskowcow 701
Tabela3 Wytrzymalosc na sciskanie piaskowcow w stanie pelnego nasycenia wod~
G~stose G~stose
Nasil:!kli- Wytrzyma- Modul
obj~tosciowa obj~tosciowa
wOse lose na odksztal- Wspolczyn- Modul Piaskowce w stanie w stanie
sciskanie cenia nik Poissona spr~zystosci
wagowa pow.-suchym nasycenia
(%) Rcn (MPa) Eon (MPa) E.,,, (MPa) 103(kg/m3) 103(kg/m3)
Zlepienco- 1,75 - 2,02 1,95-2,16 7,0-11,7 1,8-8,1 326- 2604 0,34- 0,43 1000- 3717
wate X = 1,95 2,10 8,8 5,0 1119 0,38 1970
Sx = 0,07 0,03 1,4 1,7 761 0,03 849
V=4 2 15 34 68 8 43
Gruboziar- 1,79-2,02 2,00-2,17 7,4-11,9 2,2-13,0 463-3809 0,26-0,41 744-4808
niste X = 1,90 2,09 9,6 5,6 1308 0,34 2551
Sx = 0,07 0,05 1,3 3,0 986 0,05 1584
V=4 3 13 54 75 14 62
Srednio- 1,67 -2,00 1,93 - 2,16 8,2 -15,4 1,0-4,4 446-1555 0,27 -0,41 845 -1569
\ ziarniste X = 1,80 2,04 11,7 2,8 892 0,36 1110
Sx = 0,10 0,08 2,1 1,1 332 0,05 "2"72
V=6 4 18 37 37 14 25
Objasnienia jak przy tab. 2
w obliczeniach sredniej wytrzymalosci nie uwzgl~dnimy 4 wynik6w najbardziej odbiegaj,!cych, to otrzymamy znacznie mniejsz,! zmiennose rz~du 24
%,
przy sred- niej wytrzymalosci na sciskanie 4,2 MPa. Z uwagi na wytrzymalose na Sciskanie analizowane piaskowce S,! zatem skalami 0 bardzo malej wytrzymalosci (PN-84/B-OI080).Zmniejszenie wytrzymalosci na sciskanie wskutek nasycenia wod,! wyraza wsp6lczynnik rozmi~kczenia r1 = Ren: Res; dla badanych piaskowc6w 4,5: 6,8 =
= 0,66. Oznacza to, ze pod wplywem nasycenia wod,! wytrzymalose piaskowc6w moze si~ zmniejszye 0 34
%.
Z uwagi na t~ ostatni,! wartose analizowane piaskowce nalezy uznae za silnie mi~kn,!ce.WYTRZYMALOSC NA ROZClf\GANIE
Badania wytrzymalosci na rozci'!ganie wykonano na 60 pr6bkach piaskowc6w w stanie powietrzno-suchym i pelnego nasycenia wod,! (fig. 4). Przeprowadzono je metod,! "brazylijsk'!" (rozlupywania), polegaj,!c,! na sciskaniu po tworz'!cej pr6bek w ksztalcie walca. Sila rozci,!gaj,!ca powstaje w osiowym przekroju pr6bki prostopadle do obci,!zenia sciskaj,!cego. Pr~dkose obci,!zenia wynosila 0,05 MPa/s.
Wytrzymalose na rozci,!ganie okreslono ze wzoru:
R = 2P
r rtF
gdzie: P - maksymalna wartose przylozonej sily, odpowiadaj,!ca chwili roz- dzielnego p~kni~cia pr6bki; F - polepowierzchni przekroju (rozlamu) r6wne iloczynowi srednicy i wysokosci pr6bki.
Tabela 4 Wytrzymalosc na rozci~ganie piaskowcow w stanie powietrzno-sucbym
G~stosc Wytrzy-
Piaskowce obj~toscio- malosc na
wa rozcillganie 103 (kg/m3) Rrr (MPa)
1,91-2,07 0,38-1,11
Zlepiencowate x = 1,97 0,63
Sx, = 0,08 0,24
V=4 39
1,75-2,02 0,32-1,37
Gruboziarniste x = 1,82 0,65
Sx = 0,09 0,30
V=5 47
1,69-1,93 0,41-1,35
Srednioziarniste x = 1,86 0,83
Sx = 0,08 0,28
V=4 34
Liczba zbadanych pr6bek 3 . 10 = 30; pozostale objasnienia jak przy tab. 2
Fig. 4. Charakter zniszczenia pr6bek piaskowc6w podczas rozci<!gania. Fot. A. Niedek Destruction of sandstone samples during tension. Photo A. Niedek
Wytrzymalose i odksztalcalnose kredowych piaskowc6w
Tabela 5 Wytrzymalosc na rozcillganie piaskowcow w stanie pelnego nasycenia wodll
G~stose G~stose
Wytrzyma-
obj~t. w obj~t. w Nasil!kliwose
lose na
Piaskowce stanie stanie wagowa
rozcil!ganie pow.-such. nasyconym (%)
. 103 (kg/m3) . 103 (kg/m3) Rrll (MPa)
1,82- 1,98 1,96-2,13 5,3- 9,9 0,18 -0,65
Zlepiencowate x = 1,88 2,04 8,6 0,36
Sx = 0,05 0,05 1,4 0,15
V=3 3 16 42
1,78 -2,10 1,98 - 2,12 6,2-13,6 0,15-0,61
Gruboziarniste x = 1,89 2,06 9,9 0,34
Sx = 0,09 0,05 2,3 0,16
V=5 2 23 48
1,78-2,12 1,97 -2,15 8,9-13,0 0,05-0,69
Srednioziarniste x = 1,97 2,06 11,4 0,36
Sx = 0,15 0,06 1,3 0,21
V=7 3 12 58
Liczba zbadanych pr6bek 3 . 10 = 30; pozostale objasnienia jak przy tab. 2
Fig. 5. Rozpad piaskowc6w podczas nasycania wodl!. Fot. A. Niedek Disintegration of sandstones during saturation with water. Photo A. Niedek
703
Wytrzymalosc na rozciqganie piaskowcow w stanie powietrzno-suchym (RrJ waha si~ w granicach 0,32-1,37, sr. 0,70±0,29 MPa, przy wspolczynniku zrnien- nosci V = 42 %. Dla piaskowcow zlepiencowatych, grubo- i srednioziarnistych srednia wytrzymalosc na rozciqganie wynosi odpowiednio 0,63, 0,65 i 0,83 MPa (tab. 4).
Podczas nasycania wodq piaskowcow srednioziarnistych z przewarstwieniami How w trakcie badan wytrzymalosci na rozciqganie (Rrll) 4 probki ulegly calkowi- temu rozpadowi (fig. 5), natomiast w kilku przypadkach nast~powaly cz~sciowe
deforrnacje. W stanie pelnego nasycenia wytrzymalosc na rozciqganie zmienia si~
w zakresie 0,05 0,69, Sf. 0,35 ± 0, 17 MPa, przy wspolczynniku zmiennosci V =
= 49% (tab. 5).
Wplyw wody na wytrzymalosc na rozciqganie piaskowcow obrazuje wspolczyn- nik rz = Rrn:Rrs = 0,35:0,70 = 0,50.
Przedstawione wyniki swiadczq 0 wi~kszym wplywie wody na wytrzymalosc na rozciqganie anizeli na wytrzymalosc na sciskanie badanych piaskowcow.
WYTRZYMALOSC NA ZGINANlE
Badania wytrzymalosci na zginanie piaskowcow przeprowadzono dwiema metod ami : lamania rdzeni wiertniczych oraz sciskania krqzkow. Metoda lamania polegala na sciskaniu probki wa1cowej (rdzenia wiertniczego) umieszczonej mi~dzy
plytami stalowymi na odpowiednich podporach stalowych (fig. 6). Badania prowa-
Fig. 6. Przyrzlld do badania zginania skat Fot. A. Niedek Apparatus for studies of rock bending. Photo A. Niedek
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowc6w
Fig. 7. Charakter powierzchni pr6bek piaskowc6w po badaniu zginania. Fot. A. Niedek Surface of sandstone samples after studies of bending. Photo A. Niedek
705
dzono w stanie powietrzno-suchym i w stanie pe}nego nasycenia wod'!. Pr~dkosc
przyrostu obci,!zenia wynosi}a 0,1 MPa/s. Kierunek przy}ozenia obci,!zenia byl prostopadly do osi rdzenia. Do badan wytypowano 30 odpowiedniej d}ugosci rdzeni. Wi~kszej liczby pr6bek nie uzyskano, poniewaz rdzenie piaskowc6w byly zbyt g~sto sp~kane. Wytrzymalosc na zginanie dla schematu 2-punktowego pod- parcia obliczono ze wzoru:
R = 16Pe
g1 rccf3
gdzie: P - wartosc sHy niszcz'!cej w chwili p~kni~cia rdzenia, e - odleglosc miejsca p~kni~cia pr6bki od blizszej podpory, d - srednica pr6bki.
Charakter zniszczenia w wyniku zginania przedstawia fig. 7.
Metod'! sciskania krq,Zk6w zbadano 56 pr6bek wyci~tych z rdzenia wiertniczego piaskowc6w r6znoziarnistych w stanie powietrzno-suchym. Pr6bk~ umieszczano centrycznie na pierscieniu dolnym (0 wi~kszej srednicy) i nakryto (r6wniez centrycz- nie) pierscieniem g6rnym (0 mniejszej srednicy). Przyrz'!d (fig. 8) do badania kr,!z- k6w wykonano oraz metodyk~ badan przyj~to wedlug zasad podanych w pracy A. Kidybinskiego (1982). Pr~dkosc obci,!zania wynosila oko}o 1 N/s. Wytrzyma}osc na zginanie obliczono ze wzoru:
R = K -P
g2 h2
gdzie: P - krytyczna wartosc sily, h - wysokosc kr,!zka, K wsp6lczynnik zalezny od stosunku srednic dolnego i g6rnego pierscienia i liczby Poisson a badanej skaly; K waha si~ w granicach 0,65 - 0,75.
Fig. 8. Przyrz'!d do badania zginania. Metoda krl!zk6w. Fot. A. Niedek Apparatus for studies of bending. Circle method. Photo A. Niedek
Wedlug metody lamania rdzeni wiertniczych wytrzymalosc na zginanie pias- kowcow w stanie powietrzno-suchym (Rgsl ) miesci si~ w granicach 0,28 - 1,84, sr. 0,93 ±0,35 MPa, przy wspolczynniku zmiennosci V = 59%, a w stanie pelnego nasycenia wod,! (Rgnl ) w granicach 0,06-1,70, Sf. 0,68±0,45 MPa, przy wspol- czynniku zmiennosci V = 66
%.
Wedlug metody sciskania kr,!zkow wytrzymalosc na zginanie (Rg.\2) wynosi srednio 4,8 MPa. Wartosc ta jest zdecydowanie wyzsza od wartosci uzyskiwanych metod,! lamania rdzeni wiertniczych. Prawdopodobnie jest to zwi,!zane ze stosowan'!
grubosci,! kr,!zk6w. Byla ona zbyt duza, wynikala bowiem z charakteru piaskow- cow. Niestety zbyt cienkie kr,!zki ulegaly podczas wycinania rozpadowi.
WYTRZYMALOSC NA SCINANIE
Wytrzymalosc na scinanie okreslono metod'! sciskania skaly umieszczonej w stalowych matrycach. Metoda ta pozwala na wyznaczenie oporu skaly poddanej l'!cznemu dzialaniu napr~zeri sciskaj,!cych (prostopadlych do powierzchni scina- nia) i scinaj,!cych (rownoleglych do powierzchni scinania). Przeprowadzaj'!c badania pod roznymi k,!tami wymuszonej plaszczyzny scinaj,!cej, mozna uzyskiwac wartosc
napr~zeri ~cinaj,!cych przy r6znych napr~zeniach normalnych. Takie post~powanie
pozwala wyznaczyc cz~sc obwiedni wytrzymalosciowej oraz okres1ic k,!t tarcia
wewn~trznego i spojnosc skaly.
Badania wykonano na 100 pr6bkach walcowych (srednica = wysokosci) umieszczonych w matrycach stalowych. Plaszczyzna scinaj,!ca byla nachylona pod trzema k'!tami (a = 30, 45 i 60°) do kierunku dzialania sHy sciskaj,!cej (P).
Sila sciskaj,!ca rozklada si~ na dwie skladowe: normaln,! do plaszczyzny scinania (N) oraz styczn,! do tej plaszczyzny (T). Napr~zenia normalne (0") i scinaj,!ce ('t) okreslono wedlug wzor6w podanych na fig. 9 i 10.
'[
[t1p~
g 8 7 6
3
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowcow 707
p
N P .
6=- : -
SlnOCF F
~=f
2 3 4 5 (j
Rrs= 0,70 MPu Res = 6,8 MPu Wo.rtoscl
srednie
(liczbo. budurl 50)'" = 30° C(= 45° ex = 60°
P [N·m]
2B40± 760 5406± 1679 8144 ± 902 1:[MPa]
3/34 ± 0,B9 5,19 ± 1,61 5,50 ± 0,616 [M pcil
1,92 ± 0,51 5,19± 1,61 9,57 ± 1,06V [~o] 26,8 31,1 11,1
645 ' sin45
-6
30 ' sin30t r/J - - - - , - - - - 9 1$- 6lt5' COS 45 -630 ' cos 30
630645 sin (45 -30)
- 6
45 cos 45 - 630 cos 30 1,2B MPa7 8
9
10 11r5
[MPa]Fig. 9. Wytrzymalosc na scinanie piaskowcow w stanie powietrzno-suchym; badanie w karetkach Shear strength of sandstones in air-dry state; analyses in boxes
R" - wytrzymalosc na rozciflganie w stanie powietrzno-suchym; Re. - wytrzymalosc na sciskanie w stanie powietrzno- -suchym; a - kilt nachylenia plaszczyzny scinajllcej; P - kierunek dzialania sHy sciskajllcej (kN); N - skladowa normalna do plaszczyzny scinania (kN); T - skladowa styczna do plaszczyzny scinania (kN); F - pole przekroju (m2); 0' - napr{:zenia normalne; t - napr{:zenia scinajllce; <l>1s' <l>os - kllty tarcia wewn{:trznego w stanie powietrzno- -suchym; CIS' Cos - spojnosc w stanie powietrzno-suchym; V - wspolczynnik zmiennosci
R" - tensile strength in air-dry state; Re ., - compressive strength in air-dry state; a - angle of shear plane; P - direc- tion of compression forc;:e (kN); N -vector normal to shearing plane (kN); T -vector'oolique to shearing plane (kN); F- section area (m2); 0' - normal stress; t - shear stress; <l>IS' <l>os - angles of internal friction in air-dry state; CIS' Cos - cohesion in air-dry state; V - variation coefficient
Probki piaskowcow sciskano w prasie wytrzymalosciowej z pr~dkoscil;! ok.
0,5 MPa/s. Dla kazdego z trzech kl;!tow nachylenia plaszczyzny scinania wykonano po 15 oznaczen dla stanu powietrzno-suchego i stanu pelnego nasycenia wodl;!.
Sily sciskajl;!ce podczas zniszczenia probek piaskowcow, w zaleznosci od kl;!ta nachylenia plaszczyzny scinania i wilgotnosci, ulegaly zmianie. Wspolczynnik zmiennosci (V) dla stanu powietrzno-suchego wynosil 11,1-31,1
%
i dla pelnego nasycenia wodl;! 30,3 - 45,4%.
Na fig. 9 i 10 zostaly rowniez naniesione w ukladzie 't = f( 0') wytrzymaloSci
n~ rozcil;!ganie i jednoosiowe sciskanie oraz srednie wartosci wsp61rz~dnych pod kl;!tem 30, 45 i 60° w stosunku do nacisku.
't [MPa]
7 T =1= T coscx
6
5 4:3
2
2 3 5 6
Rrn = 0,35 Rcn
=
4,5 [MPu]Wartosci
srednie
(Uczba budun 47 )0. = 30°
P [N·10J 1603 ± 625 2913 ± 1322 4260 ± 1?90
t [M Po]
1,88 ± 0,73 2,79 ± 1,27 2,88 ± 0,876
[M Po]
1,08 ± 0,42 2,79 ± 1,27 5,00 ± 1,52V
[%]
39,0 45,4 30,3Con =0,60 MPu
7
6
45'sin45 - 630 , sin30tg¢1n= 645'COS45-630'COS30
630645 sin (45-30)
C 1 = 6 = 0, 75 M Po.
n 45 'COS45 - 630 casao
8 9 10 (5 [MPaJ
Fig. 10. Wytrzymalosc na scinanie piaskowc6w w stanie pelnego nasycenia; badanie w karetkach Shear strength of sandstones during full saturation; analyses in boxes
R rn - wytrzymalosc na rozci(!ganie w stanie pelnego nasycenia wodl}; Rell - wytrzymalosc na sciskanie w stallJe pel- nego nasycenia wodl}; <11111' <lion - kl}t tarcia wewn~trznego w stanie pelnego nasycenia wodl}; C ln, Con - sp6jnosc w stanie petnego nasycenia wodl}; pozostale objasnienia jak na fig. 9
Rrll - tensile strength during full saturation; Ren - compressive strength during full saturation; <IIln' <lion - angle of internal friction during full saturation; C ln, Con cohesion during full saturation; for other explanations see Fig. 9
Na podstawie badan wytrzymalosci na scinanie skal mozna ustalic kC!t tarcia
wewn~trznego i sp6jnosc. Istnieje kilka sposob6w okreslania tych parametr6w.
Najcz~sciej oblicza si~ je z wytrzymalosci na rozciC!ganie i jednoosiowe sciskanie (<PO' CO), jako stycznC! do k6l Mohra, lub z parametr6w otrzymanych z badan w stalowych matrycach (<pI' CJ
Dla stanu powietrzno-suchego kC!t tarcia wewn~trznego piaskowc6w wynosi srednio <Pos = 56°, <PIS = 54° i sp6jnosc Cos = 1,20 MPa, CIS = 1,28 MPa, a dla stanu pelnego nasycenia kC!t <Pon = 55° <PIn = 54° oraz Con = 0,60 MPa i C111 =
= 0,75 MPa.
Wplyw wody na wytrzymalosc na scinanie dotyczy w zasadzie tylko sp6jnosci piaskowc6w. Ulega ona wyraznemu obnizeniu - Con: Cos = 0,60: 1,20 = 0,50;
CIn: Cls = 0,75: 1,28 = 0,58, natomiast kC!t tarcia wewn~trznego pozostaje bez zmian.
Wytrzymalosc i od'ksztalcalnosc kredowych piaskowc6w 709
OBWIEDNIA WYTRZYMALOSCIOWA
W celu okreslenia zachowania si~ piaskowc6w przy szerszym zakresie obcictzen przeprowadzono cykl badan tr6josiowego sciskania. Badania wykonano na 18 pr6bkach walcowych 0 wysokosci 2 razy wi~kszej od srednicy,(srednica 22 mm) w komorach wysokocisnieniowych produkcji OBRTG Warszawa. W komorach tych, tak jak w komorze Franklina, cisnienie poziome (1,5 i 10 MPa) jest przekazy- wane na pr6bki przez odpowiednio wykonan~ oslon~ za pomoc~ pompy, a obcict- zenie pionowe podobnie jak sposobem Karmana za pomocct prasy hydraulicznej.
Otrzymane wyniki zostaly przedstawione na fig. 11 i 12. Do okreslenia obwiedni wytrzymalosciowej wykorzystano pary napr~zen gl6wnych w chwili zniszczenia pr6bek oraz wytrzymalose na jednoosiowe sciskanie i bezposrednie rozci~ganie.
Do tak ustalonych k61 Mohra poprowadzono obwiedni~ wytrzymalosciow~. Na podstawie zaproponowanego przez A. Kidybinskiego (1982) wzoru dla skal kar- bonskich spr6bowano ustalie r6wnanie obwiedni w postaci og6lnej:
gdzie: 't - napr~zenie scinaj~ce, <r - napr~zenie normalne, Rl' - wytrzymalose na rozci~ganie, a, b - wsp6lczynniki liczbowe.
Dla pr6bek w stanie powietrzno-suchym R,.s= 0,7 MPa, a = 1,54, b = 0,71, a dla pr6bek w ~tanie pelnego nasycenia wodct Rr'n= 0,35 MPa, a = 1,30, b = 0,65.
Krzywoliniowa obwiednia wytrzymalosciowa piaskowc6w wskazuje na zalez- nose kctta tarcia wewn~trznego od obci~zenia. Znaj~c r6wnanie obwiedni, mozna obliczye kctt tarcia przy dowolnym obci~zeniu. Jest to pierwsza pochodna ustalo- nego r6wnania. Kctt tarcia wewn~trznego dla piaskowc6w w stanie powietrzno-
'( Nr
u
3/!"1Pu] ~[MPaJ~P~ f 9,6 to 6=OMPa., ¢ = 51°
10 2 8,3 :-
3 4,6 .ct) 6=1MPu. ¢ = 3r
9 It 12,6 0 . 6=5MPa, rp = 25°
5 5 12 ~ ~ 6 =10 MPu, cp :: 20°
8 6 14;0 .tii
7 1 g,2 0 .
8 10 184 ~
6 9 n:lt .~
't' =1,30 (6' + 0,35) 0,65
5 Ren = 4,5 MPu Rrn = 0,35 MPa.
4 3
2 3 it 5 5 8 9 10 15 20 6 [BpuJ
Fig. 11. Obwiednia wytrzymalosciowa piaskowc6w w stanie pelnego nasycenia wod~
Strength envelope of sandstones during full saturation
<I> - kl:!t tarcia wewn~trznego; 0'3 - najmniejsze napr~i:enie gl6wne w chwili zniszczenia; 0'1 najwi~ksze napr~i:enie
gl6wne w chwili zniszczenia; pozostale objasnienia jak na fig. 9 i 10
<I> - angle of internal friction; 0'3 - lowest main stress during failure; 0'1 - largest main stress during failure; for other explanations see Figs 9 and 10
'(
~PoJ 10
8
5 5 4 3
1 2 3 4
5 5
6 7
8 10
9 Res =6,8 MPa Rrs= 0,7 MPa
9,6 q 10,2 52 10,2 .. ~ 11,0 Cl
19,0 ~ 24,0 -I/)
33,5 .~
22,3 ~
22,2 -w
6:: 0 MPa ~ = 51°
6 = -1 MPa qJ 43°
6 :: 5 MPa ¢ = 33°
6 =10MPa
«
=1,54(6 +0,70)°,712 3 4 5 5 7 8 9 10 15 20
Fig. 12. Obwiednia wytrzymalosciowa piaskowc6w w stanie powietrzno-suchym Strength envelope of sandstones in air-dry state
Objasnienia jak na fig. 9 i 11 For explanations see Figs 9 and II
-suchym w zakresie obci'!zen 0 -10 MPa wynosi 51 - 29°, a w stanie peIne go nasyce- nia wod,! w zakresie tych samych obci'!zen 51 - 20°.
Te ostatnie wartosci dotycz'! piaskowcow przede wszystkim srednioziarnistych z wkladkami piaskowcow drobnoziarnistych i ilow kaolinowych.
BADANIA WYTRZYMALOSCIOWE NA PROBKACH NIEFOREMNYCH
Poniewaz niekt6re odcinki rdzeni wiertniczych byly bardzo pokruszone i nie bylo mozliwosci wyci~cia foremnych probek, dla scharakteryzowania tych partii zdecydowano si~ wykonae badania wytrzymalosciowe na okruchach. Przygotowa- no dwie serie probek nieforemnych - okruchow: okruchy rdzenia uzyskane pod- czas wiercenia oraz okruchy b~d,!ce pozostalosci,! po wyci~ciu probek foremnych.
Te ostatnie stano wily baz~ porownawcz'!. Do badan uzyto 60 probek.
Dla probek nieforemnych rdzenia wiertniczego wytrzymalose na jednoosiowe sciskanie wynosi 0,77 MPa, natomiast dla probek nieforemnych stanowi,!cych pozostalose po wyci~ciu pr6bek foremnych 1,30 MPa.
Stosunek powyzszych wytrzymalosci 0,77: 1,30 = 0,59 swiadczy, ze wytrzyma- lose piaskowca w rdzeniu pokruszonym jest 0 41
%
mniejsza od wytrzymalosci piaskowca w rdzeniu niepokruszonym.ODKSZTALCALNOSC PIASKOWCOW
Zaleznosc obci(!zenie-odksztalcenie dla badanych skal jest w zasadzie prosto- liniowa, w szczeg6lnosci w zakresie od 0,25 do 0,75 maksymalnej wytrzymalosci na sciskanie. W tym przedziale skaly najcz~sciej nie wykazuj,! (lub jedynie bardzo malo) odksztalcen trwalych. Pocz(!tek i koniec tej zaleznosci s(! natomiast zazwy-
Wytrzymalosc i odksztalcalnosc kredowych piaskowc6w 711
czaj krzywoliniowe. Krzywoliniowosc wykresu w pierwszej fazie obci,!zenra tlu- maczy ~i~ w r6zny spos6b. Cz~sto spotyka si~ pogl,!d, ze jest ona wynikiem odpr~ze
nia pr6bki skalnej w s,!siedztwie szczelin w masywie i po jej wydobyciu z calizny.
Przypisuje si~ r6wniez skale zachowanie "pami~ci" obci,!zen, jakim byla poddana w przeszlosci geologicznej i dopiero po przekroczeniu odpowiedniej dla niej war- tosci obci'!zen wykres napr~zenie - odksztalcenie staje si~ zblizony do prostolinio- wego. Krzywoliniowosc w koncowej fazie obci,!zenia pr6bki jest zwi,!zana naj-
cz~sciej z wlasciwosciami plastycznymi skaly, kt6re odgrywaj,! wazn'! rol~ podczas znacznych obci,!zen.
Pomiary odksztalcen piaskowc6w wykonywano za pomoc,! czujnik6w zega- rowych, samopisu prasy i tensometr6w oporowych. Dokladnosc pomiaru czuj- nik6w wynosila 0,005 mm. Przy opracowaniu wynik6w napotkano duze trudnosci interpretacyjne pomiar6w tensometrycznych, wynikaj,!ce prawdopodobnie z grubo- ziarnistosci piaskowc6w. Analiza obserwacji wskazuje, ze w przebiegu funkcji obci,!zenie - odksztalcenie mozna wyr6znic nast~puj,!ce fazy:
I - sprasowywania materialu (odksztalcenia nieodwracalne);
II - proporcjonalnego przyrostu odksztalcen wraz z obci,!zeniem (odksztal- cenia spr~zyste);
III - wzmocnienia;
IV - odksztalcen plastycznych.
W badanych piaskowcach wyrazne S,! przede wszystkim, opr6cz fazy II, fazy I i IV. Podczas sciskania pr6bki skalne S,! niszczone w jednoosiowym stanie napr~
zen. Wad,! tego sposobu badan jest skomplikowany, wlasciwie blizej nieokreslony, stan napr~zenia, jaki panuje w rzeczywistosci w pr6bce.
MODUL ODKSZTALCENIA I SPR.eZYSTOSCI
Najlepiej pod wzgl~dem odksztalcalnosci charakteryzuj,! skal~ moduly od- ksztalcenia (obliczane dla calego zakresu obci,!zen i odksztalcen) i spr~zystosci
(zakres odksztalcen spr~zystych). Uzyskane wyniki (tab. 2, 3) S,! bardzo zr6znico- wane, 0 znacznej zmiennosci. Dla skal w stanie powietrzno-suchym modul odksztal- cenia (Eas) wynosi 106-3263, sr. 1334±660 MPa, przy wsp6lczynniku zmiennosci
V = 49,5%, a modul spr~zystosci (Ess) 813 -5873 (przy obliczeniach modulu nie
uwzgl~dniono jednej wartosci bardzo odbiegaj,!cej r6wnej 10435 MPa), sr. 2850±
± 1950 MPa, przy V = 65 %. Dla skal w stanie pelnego nasycenia wod,! modul odksztalcenia (Eon) miesci si~ w przedziale 326 - 3809, sr. 11 06 ± 981 MPa, przy V = 80,7%, a modul spr~zystosci (Esn) 838-4808, Sf. 1915±1241 MPa, przy V =
= 64,8%.
Uzyskane rezultaty wyraznie swiadcz,! 0 istotnym wplywie wody na odksztal- calnosc badanych piaskowc6w. Stosunki modu16w odksztalcenia i spr~zystosci
skal w stanie peIne go nasycenia do odpowiednich modt1l6w skal w stanie powietrz- no-suchym wynosz,!: Eon: Eo.s = 0,83 i Esn: Ess = 0,67.
W sp6lczynniki zmiennosci dla modulOw wahaj,! si~ w granicach 50 - 80 %.
S,! znacznie wi~ksze od analogicznych wsp6lczynnik6w dla wytrzymalosci na scis- kanie.
Wartosci modu16w odksztalcenia i spr~zystosci piaskowc6w w stanie powietrz- no-suchym srednio w granicach 1300 - 3000 MPa i w stanie pelnego nasycenia srednio w granicach 1100 - 2000 MPa swiadcz'!, ze badane skaly S,! mi~kkie, 0 duzej odksztalcalnosci.
WSP6LCZYNNIK POISSONA
Wartosci wspolczynnika Poissona (v) - tab. 2, 3 - dla piaskowcow w stanie powietrzno-suchym zmieniaj~ si~ w granicach 0,13 - 0,46, Sf. 0,28 ± 0,085, przy wspolczynniku zmiennosci V = 30,2 %, a w stanie peine go nasycenia wod~ w gra- nicach 0,26-0,43, sr. 0,36±0,050, przy wsp6lczynniku V = 14,1 %. Stosunek wspolczynnika Poissona skal w stanie pelnego nasycenia do wsp6lczynnika Pois- sona skal w stanie powietrzno-suchym 0,28:0,36 = 0,78.
Wartosci wspolczynnika Poissona badanych piaskowc6w s~ wysokie, potwier-
dzaj~ znaczn~ odksztalcalnosc i mal~ wytrzymalosc skal.
ULTRADZWI:eKOWE BADANIA PIASKOWCOW
Badania przeprowadzono na 90 pr6bkach. Pf~dkosc propagacji fali podluinej (Vp) zmienia si~ od 1462 do 3823, sr. 2290 ± 337 mis, przy wspolczynniku zmiennosci V = 14,7%. Dynamiczny modul spr~iystosci (Eds1 ) wynosi 0,42-2,81, Sf. 1,03±
± 0,36 . 104 MPa, przy wspolczynniku zmiennosci V = .35,3 %. Pr~dkosc fali poprzecznej zmienia si~ w zakresie 1020-1916, Sf. 1380 m/s. Dynamiczny wspol- czynnik Poissona wynosi srednio 0,21. Dynamiczny modul spr~iystosci (4ts;)' przy uwzgl~dnieniu liczby Poissona, wynosi srednio 0,92 . 104 MPa. Modul spr~
iystosci EdS2:Ess = 3.
WNIOSKI
Badania wlasciwosci fizyczno-mechanicznych rdzeni wiertniczych piaskowcow kredowych, otaczaj~cych zloie How Bolko II, moina podsumowac nast~puj~co:
1. Pod wzgl~dem litologicznym badane utwory s~ piaskowcami kwarcowymi, przede wszystkim srednio- i gruboziarnistymi, cz~sto zlepiencowatymi, rzadziej drobnoziarnistymi. Cechuje je slaba zwi~zlosc i wysoka porowatosc. Spoiwo ilaste rna charakter masy wypelniaj~cej. Wyst~puj~ w nich liczne wkladki i prze- warstwienia ilow kaolinowych.
2. Obecnosc sp~kan w piaskowcach wplywa na znaczne osiabienie masywu.
Wskaznik porowatosci szczelinowej, wskaznik jakosci masywu Deere'a i wskaznik
sp~kania Hansagi'ego swiadcz~ 0 silnym stopniu szczelinowatosci i zlej jakosci masywu.
3. Z punktu widzenia inzyniersko-geologicznej oceny, na podstawie wartosci indeksu Q masyw piaskowcow kredowych moina zaliczac do masywow bardzo slabych (very poor).
4. Ze wzgl~du na g~stosc obj~tosciow~ piaskowce naleiy zaliczyc do skal
srednioci~ikich, a z uwagi na nasi~kliwosc do srednionasi~kliwych.
5. Pod wzgl~dem wytrzymalosci i odksztalcalnosci piaskowce s~ bardzo zroi- nicowane. Wsp6lczynnik zmiennosci waha si~ w granicach 30-80%. Na podstawie wytrzymalosci na sciskanie w stanie powietrzno-suchym i w stanie pelnego nasy- cenia wod~ moina je zaliczyc do skal 0 bardzo malej wytrzymalosci.
6. Piaskowce pod wplywem wody zmniejszaj~ swoj~ wytrzymalosc. W przypad- ku sciskania wytrzymalosc zmniejsza si~ 0 34
%,
a w przypadku rozci~gania 0 50%.
S~ one skalami silnie mi~kn~cymi. W przypadku wyst~powania wkladek How kaolinowych ulegaj~ pod wplywem wody calkowitemu rozpadowi.
Streszczenie 713 7. Badania wytrzymalosciowe piaskowc6w wykazuj~ nast~puj~ce zaleznosci:
8. Przy malym zakresie obciqzen piaskowce charakteryzujq si~ duzymi kqtami tarcia wewn~trznego i jednoczesnie malq spojnosciq. Pod wplywem wody spoj- nose zmniejsza si~ 0 ok. 50
%.
9. Obwiednia wytrzymalosciowa piaskowcow przy obci~zeniach 0 - 10 MPa jest krzywoliniowa. Kqt tarcia wewn~trznego skal w stanie powietrzno-suchym zmienia si~ od 51 do 29°, a w stanie pelnego nasycenia wodq od 51 do 20°. Znaczne zmniejszenie k~ta tarcia wewn~trznego dotyczy przede wszystkim piaskowcow srednioziarnistych z duz~ zawartosciq spoiwa ilastego.
10. Wytrzymalose na sciskanie rdzenia pokruszonego jest 0 41
%
mniejsza niz wytrzymalose calego rdzenia.11. Charakter przebiegu funkcji obci~zenie-odksztalcenie dla piaskowc6w jest zlozony. Oprocz fazy odksztalcen odwracalnych obserwuje si~ faz~ sprasowywa- nia materialu oraz odksztalcen plastycznych.
12. Stosunkowo niewysokie moduly odksztalcenia i spr~zystosci Oraz wzgl~d
nie wysokie wartoSci wsp6lczynnika Poissona potwierdzaj~ znacznq odksztalcal- nose i nisk~ wytrzymalose piaskowcow.
Instytut Hydrogeologii i Geologii Inzynierskiej Uniwersytetu Warszawskiego Warszawa, al. Zwirki i Wigury 93 Nadeslano dnia 15 lipca 1987 r.
PISMIENNICTWO
BARTON N., LIEN R., LUNDE J. (1974) - Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mechanics, 6, p. 189 - 236, nr 4.
DEERE D.U. (1963) - Technical description of rock cores for engineering purposes. In: Fels mechanik und Ingenieurgeologie, 1, nr 1.
HANSAGI1. (1974) - A method of determining the degree of fissuration of rock. Tnt. J. Rock Mech.
Min. Sc. Geomech., 11, nr 10.
KACZYNSKI R. i in. (1985) - Charakterystyka wytrzymalosci i odksztalcalnosci skal z wiercen badaw- czych na zlozu Bolko II. Arch. UW. Warszawa.
KIDYBINSKI A. (1982) - Podstawy geotechniki kopalnianej. Wyd. SI,!sk. Katowice.
MILEWICZ J. (1974) - Zloi:a gornokredowych How ceramicznych na tie budowy geologicznej depresji polnocnosudeckiej. Biu!. lust. GeoI., 280, p. 217 - 258.
MILEWICZ J. (1979) - Piaskowce dolnotriasowe i gornokredowe depresji polnocnosudeckiej. W:
Surowce mineralne Dolnego Sl,!ska, p. 391 - 396. Ossolineum. Wroclaw.
PFOR H. (1975) - Wytyczne Mi~dzynarodowego Biura Mechaniki Gorotworu do okreslania para- metrow geomechanicznych skat i gorotworu. Wyd. GIG. Katowice.
PN-84/B-OI080 - Kamien dla budownictwa i drogownictwa. Podzial i zastosowanie wedlug wlasnoSci fizyczno-mechanicznych. PKNMiJ. Warszawa.
